CN204404241U - 燃气轮机燃烧室头部结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及燃气轮机燃烧室技术领域，公开了一种燃气轮机燃烧室头部结构，包括头部端板、设置在所述头部端板的中心喷嘴以及环绕在所述中心喷嘴周围的多个射流喷嘴圈；任意相邻两个所述射流喷嘴圈之间设有一个旋流喷嘴圈；每个所述旋流喷嘴圈包括多个间隔排布的旋流喷嘴模块；所述中心喷嘴也为一个旋流喷嘴模块；每圈所述射流喷嘴圈包括一个环形射流喷嘴或者多个间隔排列的射流喷嘴模块。本实用新型设置多个旋流喷嘴圈及射流喷嘴圈，燃烧时形成分布式火焰，得到一个抬升的整体均匀火焰，使燃烧室燃烧模式处于分布火焰区，有效降低整个燃烧室的污染物排放。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃气轮机燃烧室技术领域，特别是涉及一种燃气轮机燃烧室头部结构。
背景技术
对于工业重型燃气轮机而言，数十年间发展目标始终为更高的燃烧室出口平均温度(标定燃气轮机技术等级)以及更低污染物排放；上述技术指标与燃烧室紧密相关且自身互相矛盾，更高的燃烧室出口平均温度意味着更多燃料参与燃烧过程，燃烧室内平均温度更高，而作为燃烧室主要污染物的氮氧化物与燃烧室内部热力过程密切相关。燃气轮机燃烧室的基本功能为在有限空间内高强度的通过组织燃料与空气流动并发生化学反应，将燃料中化学能转化为燃气中热能从而推动透平做功。其核心为湍流混合过程与化学反应动力过程的交互作用。现有燃烧室采用旋流预混结构，随着燃烧室平均出口温度的进一步升高，该种燃烧室头部结构对于控制燃烧室氮氧化物排放作用有限。比较国际上20世纪90年代与现在最新的燃烧室产品可知，其出口平均温度增加约200℃，虽然燃烧室经过一系列优化与改进，然而其氮氧化物的排放水平持平甚至略有升高，这说明了目前燃烧室设计结构针对未来更高参数燃烧室时，其潜力有限，面临着不能满足排放标准的风险。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型的目的是提供一种能够有效降低氮氧化物排放的燃气轮机燃烧室头部结构。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种燃气轮机燃烧室头部结构，包括头部端板、设置在所述头部端板的中心喷嘴以及环绕在所述中心喷嘴周围的多个射流喷嘴圈；任意相邻两个所述射流喷嘴圈之间设有一个旋流喷嘴圈；每个所述旋流喷嘴圈包括多个间隔排布的旋流喷嘴模块；所述中心喷嘴也为一个旋流喷嘴模块；每圈所述射流喷嘴圈包括一个环形射流喷嘴或者多个间隔排列的射流喷嘴模块。
其中，所述旋流喷嘴模块包括旋流筒、旋流燃料管和多个旋流叶片，所述旋流燃料管设置在所述旋流筒的中心；多个所述旋流叶片安装在所述旋流燃料管上；每个所述旋流叶片设有多个燃料旋流孔，所述燃料旋流孔与旋流燃料管连通。
其中，多个所述旋流叶片沿所述旋流燃料管的周向均匀排布。
其中，所述射流喷嘴圈的中心与所述中心喷嘴的中心相重合。
进一步的，所述射流喷嘴模块包括射流燃料管和射流筒，所述射流筒的一端与所述射流燃料管连接，另一端设有出口端板；所述射流筒中设有入口挡板，所述入口挡板将所述射流筒分隔成前腔室和后腔室，所述前腔室的侧壁设有空气入口；所述出口端板设有空气射流孔和燃料射流孔，所述燃料射流孔通过小射流导管与后腔室连通。
其中，所述射流筒的横截面为矩形、圆形、扇形或者椭圆形。
其中，所述空气入口、空气射流孔和燃料射流孔均为多个。
其中，所述空气射流孔和燃料射流孔的直径均为1～1.5mm。
进一步的，所述环形射流喷嘴包括内射流圆筒、外射流圆筒和射流燃料管，所述内射流圆筒和外射流圆筒同心设置；所述内射流圆筒与外射流圆筒之间构成射流腔；所述射流腔设有前挡板、中挡板和后挡板，形成前腔室和后腔室；所述射流燃料管与所述后腔室连通；所述前腔室的侧壁上设有空气入口；所述前挡板设有空气射流孔和燃料射流孔，所述燃料射流孔通过小射流导管与后腔室连通。
(三)有益效果
本实用新型提供的燃气轮机燃烧室头部结构，燃烧室头部设置多个旋流喷嘴圈及射流喷嘴圈，燃烧时形成分布式火焰，得到一个抬升的整体均匀火焰，使燃烧室燃烧模式处于分布火焰区，有效降低整个燃烧室的污染物排放。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的结构立体图；
图2为本实用新型实施例1的正视示意图；
图3为本实用新型实施例1的剖视图；
图4为本实用新型实施例1的射流喷嘴模块的剖视图；
图5为本实用新型实施例1的另一种实施方式的正视示意图；
图6为本实用新型实施例2的正视示意图；
图7为本实用新型实施例2的剖视图。
图中，1：头部端板；10：中心喷嘴；20：射流喷嘴圈；30：旋流喷嘴圈；11：旋流喷嘴模块；12：射流喷嘴模块；110：旋流筒；111：旋流燃料管；112：旋流叶片；113：燃料旋流孔；120：射流筒；121：空气入口；122：射流燃料管；123：入口挡板；124：小射流导管；125：出口端板；126：燃料射流孔；127：空气射流孔；128：后腔室；129：前腔室；13：环形射流模块；130：内射流圆筒；131：射流燃料管；132：前挡板；133：中挡板；134：后挡板；135：空气入口；136：后腔室；137：前腔室；138：小射流导管；139：外射流圆筒；1321：空气射流孔；1322：燃料射流孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
实施例1：
参照图1至4所示，本实用新型的燃气轮机燃烧室头部结构，包括头部端板1、中心喷嘴10、射流喷嘴圈20和旋流喷嘴圈30。头部端板1设有多个燃料进气通道，中心喷嘴10、射流喷嘴圈20和旋流喷嘴圈30均安装在头部端板1上，且与燃料进气通道连通，外部供燃料设备通过燃料进气通道提供燃料。射流喷嘴圈20为多个，多个射流喷嘴圈20环绕在中心喷嘴10周围，且射流喷嘴圈20的中心与中心喷嘴10的中心相重合。即多个射流喷嘴圈20同心设置，中心喷嘴10设置在最内圈射流喷嘴圈20的中心位置。任意相邻两个射流喷嘴圈20之间设有一个旋流喷嘴圈30，使得射流喷嘴圈20和旋流喷嘴圈30交错排布在头部端板1上，且最外圈的喷嘴圈为射流喷嘴圈20。每个旋流喷嘴圈30包括多个间隔排布的旋流喷嘴模块11。中心喷嘴10也为一个旋流喷嘴模块11。本实施例中，射流喷嘴圈20包括多个间隔排布的射流喷嘴模块12。
进一步的，旋流喷嘴模块11包括旋流筒110、旋流燃料管111和多个旋流叶片112，旋流燃料管111从旋流筒110的后端插入，且设置在旋流筒110的中心；旋流燃料管111的前端封闭，后端用于安装在头部端板1上。多个旋流叶片112安装在旋流燃料管111上，优选的，旋流叶片112安装在旋流燃料管111与旋流筒110的内壁之间。每个旋流叶片112设有多个燃料旋流孔113，燃料旋流孔113与旋流燃料管111连通。本实施例中，旋流叶片112为8个，8个旋流叶片112沿旋流燃料管111的周向均匀排布。优选的，为了控制旋流筒110中的空气流量，在旋流筒110的后端设有整流板或限流孔板。
进一步的，每个射流喷嘴模块12包括射流燃料管122和射流筒120。射流筒120的横截面为圆形。射流筒120的一端与射流燃料管122的一端连接，另一端设有出口端板125。射流燃料管122后端与头部端板1连接。本实用新型所使用的燃料为天然气或者天然气掺氢燃料。射流筒120中设有入口挡板123。入口挡板123将射流筒120分隔成前腔室129和后腔室128，前腔室129的侧壁设有空气入口121；出口端板125设有空气射流孔127和燃料射流孔126，燃料射流孔126通过小射流导管124与后腔室128连通。燃料从射流燃料管122向后腔室128供入，并通过小射流导管124从燃料射流孔126射出，空气从空气入口121进入前腔室129，并从空气射流孔127射出。燃料喷射与空气喷射在每个射流喷嘴模块中分开，需要在离喷嘴头部较远的位置才能混合，使燃烧区远离喷嘴头部区域，减少了喷嘴头部的冷却结构设计，节约了冷却面积，保证更多空气可以参与燃烧，降低氮氧化物的产生，从而满足更高等级燃烧室需求；同时燃料喷射与空气喷射在每个喷嘴模块中分开，在喷嘴模块下游需要一定的区域进行掺混，这段距离大大减小回火发生的可能性。在燃料时，旋流喷嘴模块11燃料量占整个燃烧室燃料量的10～15％，整个燃烧室的旋流燃料比例较低，使整个燃烧室的旋流混合物的当量比不至于太高，进一步控制污染物排放。
优选的，空气入口121、空气射流孔127和燃料射流孔126均为多个，空气射流孔127和燃料射流孔126的直径均为1～1.5mm。
射流筒120的横截面除了可以是圆形外，还可以如图5所示的扇形，另外，也可以是的横截面还可以是矩形或者椭圆形。
使用本实用新型的燃气轮机燃烧室头部结构时，进入燃烧室的部分空气从空气入口121进入射流喷嘴模块12内部，从射流喷嘴模块12出口端板125上的空气射流孔127喷出，部分燃料从射流燃料管122进入射流喷嘴模块12内部通过燃料入口挡板123上的孔进入小射流导管124并从射流喷嘴模块12的出口端板125上的燃料射流孔126射出，空气与燃料在射流喷嘴模块12下游混合成高速射流混合物；其余的部分燃料和空气进入旋流喷嘴模块11形成旋流空气燃料混合物，起点火和稳定火焰的作用，其形成的高温烟气一方面用来点燃高速射流混合物，另一方面对高速射流混合物进行稀释掺混，将整体燃烧室火焰面分散，使燃烧室燃烧模式处于分布火焰区，减少氮氧化物的生成，有效降低整个燃烧室的污染物排放，降低热声震荡的风险。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于，如图6和7所示，本实施例中，射流喷嘴圈包括一个环形射流喷嘴13。环形射流喷嘴13包括内射流圆筒130、外射流圆筒139和射流燃料管131，内射流圆筒130和外射流圆筒139同心设置，内射流圆筒130的外径小于外射流圆筒139的内径，内射流圆筒130与外射流圆筒139之间构成射流腔，在射流腔设有前挡板132、中挡板133和后挡板134，前挡板132和中挡板133将内射流圆筒130与外射流圆筒139之间的射流腔隔成前腔室137，中挡板133和后挡板134将内射流圆筒130与外射流圆筒139之间的射流腔隔成后腔室136。射流燃料管131的前端与后腔室136连通，射流燃料管131的后端用于安装在头部端板1上，与设置在头部端板1上的燃料进气通道连通。前腔室137的侧壁上设有空气入口135，参照图7所示，在内射流圆筒130和外射流圆筒139设置空气入口135，空气入口135与前腔室137连通，燃烧室中的空气通过空气入口135流入到前腔室137中，空气入口135的数量为多个，多个空气入口135均匀排列。前挡板132设有空气射流孔1321和燃料射流孔1322，燃料射流孔1322通过小射流导管138与后腔室136连通。燃料从射流燃料管131流到后腔室136，再由后腔室136通过小射流导管138后，从燃料射流孔1322射出，提高燃料的射流速度。空气从空气入口135流入到前腔室137中，再从前挡板132的空气射流孔1321中射出。
在燃烧时，从头部端板的燃料进气通道分别向旋流燃料管和射流燃料管通入燃气。旋流喷嘴模块中，空气由旋流筒的后端进入旋流筒中，燃料从旋流叶片的燃料旋流孔喷出，形成稳定的旋流火焰。燃料通过射流燃料管进入后腔室，并通过小射流导管从燃料射流孔中喷出，形成高速的燃料喷射，同时，空气从空气入口进入前腔室，并由空气射流孔高速喷出，燃料射流和空气射流在离射流喷嘴较远的距离才能混合形成燃烧气体，并点燃形成射流火焰。环形射流喷嘴的燃烧火焰离喷嘴头部较远，减少了喷嘴头部的冷却结构，节约冷却面积，保证更多的空气参与燃烧，减少氮氧化物的生成。
本实用新型的燃气轮机燃烧室头部结构，设置有多个旋流喷嘴圈及射流喷嘴圈，燃烧时形成分布式火焰，得到一个抬升的整体均匀火焰，使燃烧室燃烧模式处于分布火焰区，有效降低整个燃烧室的污染物排放。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种燃气轮机燃烧室头部结构，其特征在于，包括头部端板、设置在所述头部端板的中心喷嘴以及环绕在所述中心喷嘴周围的多个射流喷嘴圈；任意相邻两个所述射流喷嘴圈之间设有一个旋流喷嘴圈；每个所述旋流喷嘴圈包括多个间隔排布的旋流喷嘴模块；所述中心喷嘴也为一个旋流喷嘴模块；每圈所述射流喷嘴圈包括一个环形射流喷嘴或者多个间隔排列的射流喷嘴模块。
2.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室头部结构，其特征在于，所述旋流喷嘴模块包括旋流筒、旋流燃料管和多个旋流叶片，所述旋流燃料管设置在所述旋流筒的中心；多个所述旋流叶片安装在所述旋流燃料管上；每个所述旋流叶片设有多个燃料旋流孔，所述燃料旋流孔与旋流燃料管连通。
3.如权利要求2所述的燃气轮机燃烧室头部结构，其特征在于，多个所述旋流叶片沿所述旋流燃料管的周向均匀排布。
4.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室头部结构，其特征在于，所述射流喷嘴圈的中心与所述中心喷嘴的中心相重合。
5.如权利要求1至4任一项所述的燃气轮机燃烧室头部结构，其特征在于，所述射流喷嘴模块包括射流燃料管和射流筒，所述射流筒的一端与所述射流燃料管连接，另一端设有出口端板；所述射流筒中设有入口挡板，所述入口挡板将所述射流筒分隔成前腔室和后腔室，所述前腔室的侧壁设有空气入口；所述出口端板设有空气射流孔和燃料射流孔，所述燃料射流孔通过小射流导管与后腔室连通。
6.如权利要求5所述的燃气轮机燃烧室头部结构，其特征在于，所述射流筒的横截面为矩形、圆形、扇形或者椭圆形。
7.如权利要求5所述的燃气轮机燃烧室头部结构，其特征在于，所述空气入口、空气射流孔和燃料射流孔均为多个。
8.如权利要求5所述的燃气轮机燃烧室头部结构，其特征在于，所述空气射流孔和燃料射流孔的直径均为1～1.5mm。
9.如权利要求1至4任一项所述的燃气轮机燃烧室头部结构，其特征在于，所述环形射流喷嘴包括内射流圆筒、外射流圆筒和射流燃料管，所述内射流圆筒和外射流圆筒同心设置；所述内射流圆筒与外射流圆筒之间构成射流腔；所述射流腔设有前挡板、中挡板和后挡板，形成前腔室和后腔室；所述射流燃料管与所述后腔室连通；所述前腔室的侧壁上设有空气入口；所述前挡板设有空气射流孔和燃料射流孔，所述燃料射流孔通过小射流导管与后腔室连通。
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| CN104534515A (zh) * | 2014-12-03 | 2015-04-22 | 北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司 | 燃气轮机燃烧室头部结构 |
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2014
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| CN104534515B (zh) * | 2014-12-03 | 2018-04-20 | 北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司 | 燃气轮机燃烧室头部结构 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: Combustion chamber head structure of gas turbine Effective date of registration: 20161104 Granted publication date: 20150617 Pledgee: Tsinghua Holdings Co., Ltd. Pledgor: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. Registration number: 2016990000853 |
|
| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20171115 Granted publication date: 20150617 Pledgee: Tsinghua Holdings Co., Ltd. Pledgor: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. Registration number: 2016990000853 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20191211 Granted publication date: 20150617 Pledgee: Tsinghua Holdings Co., Ltd. Pledgor: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. Registration number: 2016990000853 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |